JPWO2016111339A1 - 太陽電池およびその製造方法、ならびに太陽電池モジュール - Google Patents
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Abstract
Description
(シリコン基板)
導電型単結晶シリコン基板10としては、n型単結晶シリコン基板とp型単結晶シリコン基板のいずれを用いてもよい。シリコン基板内のキャリア寿命の長さから、n型単結晶シリコン基板を用いることが好ましい。
導電型単結晶シリコン基板10の第一主面上(受光面側)には第一導電型シリコン系薄膜31が設けられ、第二主面上(裏面側)には第二導電型シリコン系薄膜が設けられる。第一導電型シリコン系薄膜31と第二導電型シリコン系薄膜32は異なる導電型を有し、一方がp型であり、他方がn型である。これらの導電型シリコン系薄膜31,32としては、p型シリコン系薄膜およびn型シリコン系薄膜が用いられる。導電型シリコン系薄膜の膜厚は、20nm以下が好ましく、15nm以下がより好ましい。製膜のカバレッジを良好に維持するという点で、導電性シリコン系薄膜の膜厚は2nm以上であることが好ましい。
ヘテロ接合太陽電池の光電変換部50は、導電型シリコン系薄膜31,32上に、透明電極層41,42を備える。透明電極層41,42透明電極層の材料としては、一般に、酸化インジウムや酸化錫、酸化亜鉛、酸化チタンやその複合酸化物等の透明導電性金属酸化物が用いられる。中でも、高い導電率と透明性とを両立する観点から、酸化インジウムを主成分とするインジウム系複合酸化物が好ましい。インジウム系複合酸化物のドープ不純物としては、Sn、Ti、W、Ce、Ga等の金属や、これらの金属酸化物が挙げられる。
受光面側の第一透明電極層41上には受光面側集電極が形成され、裏面側の第二透明電極層42上には裏面側集電極が形成される。本発明の太陽電池は、受光面側および裏面側に、パターニングされた集電極を備える。そのため、裏面側からも光を取り込むことができる。
金属シード層61は、めっき金属層62の下地層として機能する層である。金属シード層に含まれる金属としては、Au,Ag,Ni,Cu,Sn,Al等が挙げられる。中でも、光電変換部表面との接触抵抗を低く保ち、かつ酸化による抵抗率増加等を抑制する観点から、Ag,Ni,Snが好ましい。信頼性を維持しつつ、コストを低減する為に、複数の金属材料を組み合わせて使用してもよい。
金属シード層61上に、めっき金属層62が形成される。これにより、Agペーストのみで集電極を形成する場合に比べて、より低コストで低抵抗の集電極を形成できる。めっき金属層として析出させる金属としては、Sn,Cu,Ag,Ni等が用いられる。中でも、より低コストで低抵抗化が可能であることから、Cuが好ましい。
光電変換部の受光面の集電極が形成されていない領域は、略全面が絶縁層81により覆われている。「略全面」とは、95%以上の面積領域を意味する。中でも、絶縁層による水蒸気バリア効果や水素脱離防止効果を高める観点から、集電極が形成されていない領域の98%以上が絶縁層により覆われていることが好ましく、99%以上が絶縁層により覆われていることがより好ましい。光電変換部の裏面の集電極が形成されていない領域も、略全面が絶縁層82により覆われていることが好ましい。
本発明の太陽電池は、受光面の第一絶縁層81の表面に、フィンガー電極に接触していない独立めっき金属層69を有する。独立めっき金属層は、フィンガー電極と導通しておらず、太陽電池の光キャリアの外部への取出しには寄与しない金属層である。独立めっき金属層は、光を散乱反射させ、太陽電池の表面近傍の光の伝搬方向を大きく変える効果を有する。個々の独立めっき金属層は、投影面の直径が0.1μm〜10μm程度の略円形状に形成されることが好ましい。
以上、光電変換部50が、導電型単結晶シリコン基板10の両面に導電型シリコン系薄膜31,32および透明電極層41,42を備えるヘテロ接合太陽電池の例を中心に、本発明の太陽電池の構成を説明したが、本発明は、ヘテロ接合太陽電池以外の太陽電池にも適用可能である。具体的には、ヘテロ接合型以外の結晶シリコン太陽電池や、GaAs等のシリコン以外の半導体基板を用いた太陽電池、非晶質シリコン系薄膜や結晶質シリコン系薄膜のpin接合あるいはpn接合上に透明電極層が形成されたシリコン系薄膜太陽電池や、CIS,CIGS等の化合物半導体太陽電池、色素増感太陽電池や有機薄膜(導電性ポリマー)等の有機薄膜太陽電池等が挙げられる。
本発明の太陽電池は、実用に供するに際して、モジュール化されることが好ましい。太陽電池のモジュール化は、適宜の方法により行われる。例えば、図4に示すように、太陽電池100のバスバー電極66,76が、タブ等の配線材105と接続されることにより、複数の太陽電池が直列または並列に接続された太陽電池ストリングスを形成し、太陽電池ストリングスを封止材111,112および保護材120,130により封止することによりモジュール化が行われる。太陽電池と配線材とは、低融点半田を用いた半田接続や、CF(Conductive Film)を用いて圧着する接続等により、電気的に接続することができる。
(シリコン基板表面へのテクスチャ形成)
受光面の面方位が(100)で、厚みが200μmのn型単結晶シリコン基板をアセトン中で洗浄した後、2重量%のHF水溶液に5分間浸漬し、表面の酸化シリコン層を除去し、超純水によるリンスを2回行った。洗浄後のシリコン基板を、75℃に保持した5/15重量%のKOH/イソプロピルアルコール水溶液に15分間浸漬して、異方性エッチングを行った。その後、2重量%のHF水溶液に5分間浸漬し、超純水によるリンスを2回行い、常温で乾燥させた。AFMによりシリコン基板の表面観察を行ったところ、表裏両面に、(111)面が露出した四角錐状のテクスチャ構造が形成されており、その算術平均粗さは2100nmであった。
テクスチャ形成後の単結晶シリコン基板をCVD装置へ導入し、受光面に真性非晶質シリコン層を4nmの膜厚で製膜し、その上にp型非晶質シリコン層を5nmの膜厚で製膜した。なお、本実施例における薄膜の膜厚は、シリコン基板上に同条件にて製膜された薄膜の膜厚を、分光エリプソメトリー(商品名M2000、ジェー・エー・ウーラム社製)にて測定することにより求められた製膜速度から算出された値である。
シリコン系薄膜を形成後の基板をRPD設備へ移送し、p型非晶質シリコン層上およびn型非晶質シリコン層上のそれぞれに、透明電極層として膜厚80nmの酸化インジウム層を製膜した。蒸着源にはIn2O3へタングステンを1%添加したものを用いた。受光面側(p型非晶質シリコン層上)の透明電極層の製膜時には、基板の周縁部0.5〜0.75mmの領域をマスクで被覆して、周縁部に酸化インジウム層が製膜されないようにした。裏面側(n型非晶質シリコン層上)の透明電極層の製膜時にはマスクを用いず、全面に酸化インジウム層を製膜した。
受光面側の酸化インジウム層上に導電性ペーストをスクリーン印刷して、金属シードを形成した。受光面側の金属シードの形成には、導電性微粒子として、SnBi金属粉末(粒径DL=25〜35μm、融点T1=141℃)と銀粉末(粒径DH=2〜3μm、融点T2=971℃)とを20:80の重量比で含み、さらにバインダー樹脂としてのエポキシ系樹脂(5wt%)および溶剤を含むペーストを用いた。この導電性ペーストを、バスバー電極とフィンガー電極のパターンに対応する開口を有するスクリーン版(フィンガー電極の幅:70μm、フィンガー電極のピッチ:2mm)を用いて、スクリーン印刷し、140℃で約20分の仮焼成を行った。
基板をCVD設備へ搬送し、受光面に膜厚40nmの酸化シリコン層を製膜した後、基板を反転させて、裏面に膜厚60nmの酸化シリコン層を製膜した。酸化シリコンの製膜条件は、基板温度が180℃、圧力60Pa、SiH4/CO2流量比が1/10、投入パワー密度が0.04W/cm−2であった。裏面側の酸化シリコン層を製膜後の受光面側絶縁層の厚みは、中央部が40nm、周縁部が60nmであり、周縁部の厚膜が大きくなっていた。
受光面側および裏面側のそれぞれのバスバー領域の金属シードにプローブを接続し、基板を銅めっき液に浸漬して電解めっきを行い、金属シード上に、約10μmの厚みで銅めっき層を析出させた。純水によるリンスを実施した後、錫めっき液に基板を浸漬して電解めっきを行い、銅の表面に約3μmの厚みで錫めっき層を析出させた。その後、純水によるリンスを行った。このようにして、受光面側および裏面側のそれぞれに、金属シード層上に、銅めっき層と錫めっき層とが積層されためっき金属層を形成した。
上記で得られた太陽電池を4枚使用し、ミニモジュールを製作した。まず、隣接する太陽電池の受光面側バスバーと裏面バスバーにタブ線を半田付けして、4枚の太陽電池が直列接続された太陽電池ストリングスを得た。太陽電池ストリングスの受光面および裏面側に封止材としてEVA樹脂シートを配置した。受光面保護護材として強化白色ガラス、裏面保護材としてテトラフルオロエチレンとエチレンの共重合体(ETFE)樹脂を含む透光性樹脂シートを配置し、真空引きを行った後、150℃で約30分加熱を行い、EVAを架橋反応させて、封止を行った。
受光面側の金属シード層形成時のスクリーン印刷の印刷圧力を小さくして、導電性ペーストの溶剤の染み出しを抑制した。それ以外は、実施例1と同様にして、太陽電池の作製およびミニモジュールの作製を行った。金属シードを形成後の基板の表面を光学顕微鏡にて観察したところ、受光面側および裏面側のいずれにも揮発跡は確認されなかった。電解めっき後の表面を光学顕微鏡にて観察したところ、受光面側および裏面側のいずれにおいても、ランダムに独立めっき金属層が形成されていたが、独立めっき金属密集領域は形成されていなかった。
受光面側の金属シード層形成時のスクリーン印刷の印刷圧力を小さくして、導電性ペーストの溶剤の染み出しを抑制し、裏面側の金属シード層形成時のスクリーン印刷の印刷圧力を大きくして導電性ペーストの溶剤を染み出させた。それ以外は、実施例1と同様にして、太陽電池の作製およびミニモジュールの作製を行った。金属シードを形成後の基板の表面を光学顕微鏡にて観察したところ、受光面側には揮発跡は確認されず、裏面側には金属シードの端部から50〜300μmの領域に溶剤の揮発跡が確認された。電解めっき後の表面を光学顕微鏡にて観察したところ、受光面側にはランダムに独立めっき金属層が形成されていたが、独立めっき金属密集領域は形成されていなかった。裏面側には、金属シードの端部から50〜300μm程度離間した領域に、直径1〜10μm程度の独立めっき金属層が多数析出しており、独立めっき金属密集領域が形成されていた。
裏面側に光反射性金属を有するソーラシミュレータを用いて、実施例および比較例で得られたミニモジュールのI−V測定を実施した。短絡電流密度(Jsc)、開放電圧(Voc)、曲線因子(FF)、変換効率(Eff)を表1に示す。表1では、比較例1のミニモジュールの変換特性を1とした相対値が示されている。
21,22. 真性シリコン系薄膜
31,32. 導電型シリコン系薄膜
41,42. 透明電極層
81,82. 絶縁層
50 光電変換部
81,82. 絶縁層
60,70. フィンガー電極
61,71. 金属シード層
62,72. めっき金属層
69. 独立めっき金属層
690. 独立めっき金属密集領域
100. 太陽電池
105. 配線材
111,112. 封止材
120,130. 保護材
Claims (15)
- 半導体接合を含む光電変換部、前記光電変換部の受光面に設けられた複数の受光面フィンガー電極、および前記光電変換部の裏面側に設けられた複数の裏面フィンガー電極を備え、
前記光電変換部の受光面は第一絶縁層により覆われており、
前記受光面フィンガー電極は、前記光電変換部と前記第一絶縁層との間に設けられた第一金属シード層、および前記第一絶縁層に設けられた開口を介して前記第一金属シード層と導通している第一めっき金属層を備え、
前記受光面フィンガー電極および前記裏面フィンガー電極のいずれにも接触していない独立めっき金属層が存在し、
前記第一絶縁層の表面には、独立めっき金属層の面積密度が、受光面フィンガー電極非形成領域全体の平均の2倍以上である独立めっき金属密集領域が、前記受光面フィンガー電極の延在方向と平行な帯状に存在する、太陽電池。 - 前記独立めっき金属密集領域が、前記受光面フィンガー電極から20μm以上離間して存在している、請求項1に記載の太陽電池。
- 前記光電変換部の裏面は第二絶縁層により覆われており、
前記裏面フィンガー電極は、前記光電変換部と前記第二絶縁層との間に設けられた第二金属シード層、および前記第二絶縁層に設けられた開口を介して前記第二金属シード層と導通している第二めっき金属層を備え、
第一絶縁層の表面の独立めっき金属層の面積密度が、第二絶縁層の表面の独立めっき金属層の面積密度よりも大きい、請求項1または2に記載の太陽電池。 - 受光面フィンガー電極の離間距離が裏面フィンガー電極の離間距離よりも大きい、請求項1〜3のいずれか1項に記載の太陽電池。
- 前記第一絶縁層および前記第二絶縁層はいずれも無機層であり、かつ膜厚が10〜200nmである、請求項1〜4のいずれか1項に記載の太陽電池。
- 前記第一めっき金属層、前記第二めっき金属層、および前記独立めっき金属層は、いずれも銅を含有する、請求項1〜5のいずれか1項に記載の太陽電池。
- 前記光電変換部は、導電型単結晶シリコン基板と、前記導電型単結晶シリコン基板の第一主面上に設けられた第一導電型シリコン系薄膜および第一透明電極層と、前記導電型単結晶シリコン基板の第二主面上に設けられた第二導電型シリコン系薄膜および第二透明電極層と、を備える、請求項1〜6のいずれか1項に記載の太陽電池。
- 請求項1〜7のいずれか1項に記載の太陽電池と、前記太陽電池の受光面側に設けられた受光面保護材と、前記太陽電池の裏面側に設けられた裏面保護材とを備え、
前記太陽電池と前記受光面保護材との間、および前記太陽電池と前記裏面保護材との間に、封止材を有する、太陽電池モジュール。 - 前記受光面保護材はガラスであり、
前記太陽電池と前記裏面保護材との間に設けられた封止材がポリオレフィン樹脂を含む、請求項8に記載の太陽電池モジュール。 - 前記裏面保護材が金属箔を含まない、請求項8または9に記載の太陽電池モジュール。
- 前記太陽電池と前記裏面保護材との間に設けられた封止材の屈折率n1、前記第二絶縁層の屈折率n2、および前記光電変換部の裏面側の最表面層の屈折率n3が、n1<n2<n3を満たす、請求項8〜10のいずれか1項に記載の太陽電池モジュール。
- 前記裏面保護材は、太陽電池側から順に、可視光吸収性の黒色樹脂層、および赤外線反射層が積層されている、請求項8〜11のいずれか1項に記載の太陽電池モジュール。
- 請求項1〜7のいずれか1項に記載の太陽電池の製造方法であって、
光電変換部の受光面上に、導電性微粒子、樹脂材料および溶剤を含有する導電性ペーストを印刷することにより、第一金属シード層が形成され、
前記光電変換部の受光面および前記第一金属シード層上を覆うように第一絶縁層が形成され、
第一絶縁層の形成時または形成後の加熱により、第一金属シード層上の絶縁層に開口が形成され、
前記第一絶縁層に設けられた開口を介して、前記第一金属シード層上に、めっき法により、第一めっき金属層が形成され、
前記導電性ペーストの印刷時に、導電性ペースト形成領域から前記溶剤が染み出し、
前記第一めっき金属層形成時に、溶剤の染み出し領域の外縁付近に形成された絶縁層上に独立めっき金属層が形成されることにより、受光面フィンガー電極の延在方向と平行な帯状に、独立めっき金属密集領域が形成される、太陽電池の製造方法。 - 光電変換部の裏面上に、導電性微粒子、樹脂材料および溶剤を含有する導電性ペーストを印刷することにより、第二金属シード層が形成され、
前記光電変換部の裏面および前記第二金属シード層上を覆うように第二絶縁層が形成され、
第一絶縁層の形成時または形成後の加熱により、第一金属シード層上の絶縁層に開口が形成され、
前記第二絶縁層に設けられた開口を介して、前記第二金属シード層上に、めっき法により、第二めっき金属層が形成され、
前記第一金属シード層形成時の導電性ペーストの印刷圧力が、前記第二金属シード層形成時の導電性ペーストの印刷圧力よりも大きい、請求項13に記載の太陽電池の製造方法。 - 前記第一めっき金属層の形成と前記第二めっき金属層の形成とが同時に行われる、請求項14に記載の太陽電池の製造方法。
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